Ein Durchbruch bei organischen Lithiumbatterien: Stabile Leistung von -70 °C bis 80 °C

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Xu Yunhua von der Universität Tianjin hat in Zusammenarbeit mit dem Team von Professor Huang Fei an der Technischen Universität Südchina und weiteren Institutionen ein neuartiges organisches Kathodenmaterial entwickelt. Dieses überwindet langjährige Einschränkungen herkömmlicher organischer Lithium-Ionen-Batterien, wie etwa die geringe Energiedichte und die langsame Ladezeit. Die Ergebnisse wurden am 19. Februar (Pekinger Zeit) online in der internationalen Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Im Zuge der technologischen Revolution und der Energiewende haben sich Lithiumbatterien zum „Energiezentrum“ der modernen Gesellschaft entwickelt und spielen eine immer wichtigere Rolle. Aktuell bestehen die meisten gängigen Lithiumbatterie-Kathoden aus anorganischen Mineralien wie Kobalt und Nickel, die mit verschiedenen Herausforderungen wie Ressourcenknappheit, hohen Kosten und begrenzter Flexibilität konfrontiert sind. Organische Elektrodenmaterialien bieten hingegen Vorteile wie reichlich vorhandene Rohstoffe, flexibles Moleküldesign und inhärente Weichheit. Batterien mit diesen Materialien weisen jedoch häufig eine unzureichende Energiedichte oder langsame Ladezeiten auf, was ihre Kommerzialisierung erheblich behindert.

Um dieses Dilemma zu lösen, entwickelte das Forschungsteam ein neuartiges leitfähiges Polymermaterial und optimierte systematisch die Effizienz des synergistischen Transports von Elektronen und Lithiumionen innerhalb des Materials. Dies führte zur erfolgreichen Entwicklung eines organischen Kathodenmaterials, das exzellente elektronische Leitfähigkeit, schnellen Lithiumionentransport und hohe Energiespeicherkapazität vereint.

Mithilfe dieses Materials fertigte das Team eine organische Pouch-Zelle mit einer Energiedichte von über 250 Wattstunden pro Kilogramm – und übertraf damit die weit verbreiteten Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LFP). Die Batterie zeigte eine bemerkenswerte Temperaturanpassungsfähigkeit und arbeitete stabil in einem breiten Bereich von -70 °C bis 80 °C. Sie wies zudem eine gute Flexibilität und Sicherheit auf.

Leistungsdiagramm der organischen Pouch-Zelle. (Bild) (bereitgestellt von der Universität Tianjin)

Experimente zeigten, dass die Elektroden unter Biegung, Dehnung und äußerer Kompression unbeschädigt blieben und keine Kapazitätseinbußen aufwiesen. Darüber hinaus bestand die Pouch-Zelle strenge Sicherheitstests gegen Nageldurchdringung, was ihre Sicherheit bestätigte.

Professor Xu Yunhua merkte an, dass diese Errungenschaften eine wichtige materielle Grundlage für die zukünftige Entwicklung von „grünen Batterien“ bilden. Die flexiblen Eigenschaften des Materials eröffnen zudem neue Energiespeicherlösungen für aufstrebende Bereiche wie flexible Elektronik und tragbare Geräte.

Berichten zufolge intensiviert das Team seine Bemühungen, die Technologie in praktische Anwendungen zu überführen und die Industrialisierung voranzutreiben. Es arbeitet am Aufbau von Produktionslinien für organische Pouch-Zellen und erforscht aktiv deren kommerzielles Potenzial.